一種促進汽液分離的複式溢流堰的製作方法

2023-12-04 09:17:31 1

專利名稱：一種促進汽液分離的複式溢流堰的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種主要用於石油和化學加工工業板式塔中的溢流堰。
背景技術：
溢流堰是板式塔的重要內構件。在塔板上設置溢流堰的作用是為了使塔板上維持 一定厚度的液層，使通過塔板上升的汽相與板上流動的液相進行充分接觸傳質。溢流堰的 結構尺寸對降液管的處理能力以及塔板的傳質效率都有顯著影響。當液體溢流進入降液管後，液體中還夾帶有相當多的未及分離的氣體，使得降液 管內的泡沫層增高，降液管的液相處理能力受此制約；並且，當液體流量較大而降液管面積 又較窄時，液體溢流越堰拋射時會形成液體「瀑布」，把降液管內與液體分離逸出的氣體包 封住不能排出，在堰板後面產生氣體空腔，使得液流容易在降液管口形成噎噻，不能正常下 流，由此也會造成降液管液泛(見圖1)。溢流堰對塔板上流場分布的均勻性也有顯著影響。因塔壁對溢流堰附近液流的收 縮作用，以及塔板上鼓泡元件及氣體上升的阻滯作用，塔板上的液流不能形成理想的平推 流，特別是在塔板兩側存在液體滯留區(見圖2)，堰的形狀結構對滯留區面積大小及液體 的返混程度有顯著影響；同時，溢流堰越高(如加壓塔)，液層越厚，汽液接觸時間越長，傳 質效率也就越高，但氣相通過塔板需要克服的阻力也越大，塔板的壓力降也就越大，處理能 力會有所降低。因此，在實際工程設計中，溢流堰的尺寸和類型都有一定的設計要求。目前在工業中應用最普遍的主要為平口堰，堰板為一直板，上緣平直；當液相負荷 較低時，也可採用齒形堰，以保證低液量下塔板上的液體均勻流動。此外，西方國家還常用 一種「後掠式堰(Sw印t-back)」或「弧形堰」(專利號W0-9818534)，堰板採用折邊或弧形， 可增加堰長，降低溢流強度，並對改善流場有一定作用。還有一種柵欄堰(Picket Fence Weirs)，柵欄堰的堰板上部呈矩形齒狀，可起到防衝濺擋板的作用，對安裝水平度要求小於 齒形堰，一般用於多溢流塔板。有關堰以及與堰相關的降液管專利和專有技術還有「帶有側吹孔式出口堰的新型降液管」(專利號ZL96205153. 5)，其特點是入口堰 與降液管相連，具有折三角形結構，堰上帶側吹孔，從塔板下上升的氣流有一部分從側孔吹 出，利用這部分氣流的推動作用可降低板上液面梯度。「層板塔用降液管」(即Vortex塔板)是Sulzer公司開發的專利產品(專利號 98805791. 3)，採用了形狀如同旋風分離器的降液管，利用切向進液產生的離心力可對降液 管內的汽液混合物分離具有促進作用。「一類高性能入、出口堰」是中國石油大學開發的專利產品(專利號 ZL00233539. 5)，堰板採用抹斜形狀，通過降低堰兩側高度，使兩側的流動阻力降低，適當的 提高塔板兩側的液流量，使弧形區域內的液體動能增加，可以調整塔板上的液流分布，改善 塔板上的汽液相接觸狀況，也可以在一定程度上改善降液管內的汽液分離。「具有多個降液管的氣-液接觸塔板」是shell公司開發的專利產品(專利號ZL01805101. 4)，特點是具有多個降液管口，液體分別從降液管的兩邊進入，降液管中設置 多層板，主要起到防衝擋板和導向板的作用，可防止矩形降液管兩側液體之間的對衝，改善 生產能力。"the downcomer weir」是Nottingham大學改進的堰技術，該結構為進口堰，位於 降液管裡面，其長度約為弦長的75%，此堰能節省塔板空間，具有較好的液封作用。現有堰存在的主要問題如下所示上述堰結構中，除了 shell公司的「具有多個降液管的汽液接觸性塔板」以外，其 他結構都為單層堰板結構，如前所述，當液體溢流過堰時在堰板後面都會形成氣穴，降低降 液管處理能力。並且氣穴中的氣體由於不斷積聚，當壓力大於液體「瀑布」的阻力時，就會 發生脈衝式波動，降低了操作穩定性，特別是對大液量和加壓操作的塔設備。對普通平直堰結構，除了降液管內汽液分離效果不好以外，如前所述，塔板上兩側 弓形區域還存在液體滯留和返混，會降低塔板傳質效率；並且因堰長較短，液流強度較大， 液相處理能力也較低。後掠式堰(Swept-back) 」或「弧形堰」雖然對改善塔板上的流場分布作用明顯，但 對降液管內的汽液分離影響不大，而且該結構必須採用配套的降液管結構，對普通降液管 的設備改造並不適用。「層板塔用降液管」 (Vortex塔板)雖然利用離心力對降液管內的汽液分離具有促 進作用，但是並不能完全消除氣穴，而且塔板結構比較複雜，要求進料量相對穩定，採用多 個降液管還會使塔板上的流場變得很複雜，該堰結構也必須採用配套降液管，對普通降液 管的設備改造也不適用。「一類高性能入、出口堰」，在普通平直堰和弧形堰的基礎上進行了改進，對塔板上 的液流具有導向作用和調節流量分布的作用，也適用於普通降液管，但是單層堰板對液體 進入降液管不具有導流作用，不能完全消除氣穴。shell公司的「具有多個降液管的汽液接觸性塔板」只適用於矩形降液管，可起到 防衝擋板和液體導流的作用，但不適用於普通的弓形降液管，而且側面擋板的彎曲弧度要 與液流方向相適應，需要考慮塔設備直徑、堰高、降液管寬度、液相處理能力等，設計較為復 雜，如果不能與液流量相匹配，反而會對流體起阻擋作用，增加降液管入口阻力。「帶有側吹孔式出口堰的新型降液管」和「Notingham的改進」是對入口堰而非出 口溢流堰的改進，對降液管內的汽液分離和改善塔板上的流場沒有影響。上述問題已經被實驗室試驗及工業應用所證實。

發明內容
本發明的目的在於提出一種用於弓形降液管的新型、高效的複式溢流堰，能夠促 進降液管內的汽液分離並改善塔板上的液流分配。該結構包括堰板、開孔和導氣管，堰板由 低到高按一定梯度排列。對液體進入降液管具有分配導流作用，可防止在降液管內形成氣 穴，促進汽液分離，提高降液管處理能力；還可以調整塔板上的液流方向及流量分布，改善 汽液接觸，提高傳質效率；並能較好滿足降液管空間利用率及對塔板設計彈性的要求。本發明是這樣實現的一種促進降液管內汽液分離的複式溢流堰，包括兩層或兩層以上的堰板(1)、堰板上的開孔(2)和汽液通道(3)，堰板(1)設置在塔板出口和塔壁之間，兩層堰板(1)之間的空間構成了汽液通道(3)。各層堰板(1)安裝在塔板出口和塔壁之間，在塔板出口與降液板相連處，不設置 堰板(1)，降液板上緣與塔板平齊。各層堰板(1)上緣沿著從塔板出口至塔壁的方向，按著由低到高的梯度進行排 列。各層堰板(1)下緣，沿著塔板出口至塔壁的方向，排列的方式可以與上緣相同，也 可以不同。堰板(1)的上緣形狀可以為平直，也可為弓形、梯形、齒形或其它非平直結構。堰板(1)的堰本身可以為平直板，也可以為弧形板、弓形板或其它非直板結構。堰板⑴的各層堰板上高出塔板的部分可以有開孔(2)。堰板⑴之間的汽液通道(3)內可以設置導氣管⑷。堰板(1)上的開孔(2)可以為圓孔或長條形齒縫。沿著液流方向，即沿著從塔板出口到塔壁的方向，每兩個堰板1之間的間距比的 範圍是1 1 1. 5。沿著液流方向，即沿著從塔板出口到塔壁的方向，每兩個堰板1之間的高度比的 範圍是1 1 3。該複式溢流堰安裝在板式塔內。本發明的優點在於(1)與常規堰相比，本構型由兩層或兩層以上堰板構成，堰板對液體進入降液管具 有分配導流作用，使得不同溢流強度下液流都可以根據拋射軌跡進入相應的堰板軌道，而 不至形成液簾阻塞降液管口、在降液管內形成氣穴，能較好滿足降液管空間利用率，對汽液 分離具有促進作用，特別是液量較大、在塔板出口不設置第一層溢流堰時，基本上不形成氣 穴，降液管處理能力可增大約10 20%。(2)堰板由低到高按一定梯度排列，可形成多個具有不同堰高和間距的溢流堰， 使得塔板上的液層高度可根據液相負荷大小自動調節，可降低塔板壓力降並提高操作穩定 性，設計彈性範圍可增加10 15%。(3)在塔板出口與降液板相連處不設置堰板，可以改善塔板的放大效應。因為常規 塔在塔板出口 一般都設有溢流堰，流堰可以使塔板上保持一定的液層厚度，使得氣液相進 行接觸傳質，但堰板的存在的同時，也會對液流產生阻擋作用，使得流體在堰口處產生相方 向的反彈衝擊，使得流體呈現波動性，設備規模越大，波動性對塔板操作的影響越顯著，因 此，溢流堰的存在是造成塔設備放大效應的根源。而本結構通過設置複式堰板，即可以使塔 板上具有一定液層高度，保證充分的汽液相接觸，又可以消除堰板對流體的阻擋作用。(4)堰板的下緣不平齊，流體在降液管內可以沿高差梯度橫向流動，對流體可以產 生定向的擾動，有利於液體中夾帶氣體的逸出。(5)可根據塔徑和裝置內的汽液負荷，選擇複合堰板的形狀(如弓形堰或齒形堰 等)，由此可調整塔板上的液流方向及流量分布，使得液體滯留區和返混得到緩解或消除， 促進液流分布的均勻性，改善汽液接觸，傳質效率能提高5 15%。(6)堰板上根據體系物性(黏度、表面張力)設圓形或齒縫形開孔，可將部分液體從小孔卸流，減輕形成渦流的趨勢，減小溢流阻力，降低液面落差。(7)堰板上設導氣管可便於降液管內液體中夾帶氣體的導出，降低降液管氣含率， 消除降液管操作的壓力波動，提高操作穩定性。(8)本發明的結構簡單，實施方便，設計靈活，對現有普通弓形降液管的改造不需 對其他塔內件作任何改動，可根據設備規模、操作負荷、體系起泡性等特點選取相應的結 構，適用於各種液體負荷，特別適用於大液量操作。


圖1為常規堰形成氣穴的示意圖。圖2為常規堰形成塔板滯留返混區的示意圖。圖3為本發明的結構示意圖。(a)兩層堰板；(b)三層堰板；(c)四層堰板圖4為本發明促進降液管內汽液分離的原理圖。圖5為堰板的上緣形狀示意圖。(a)平口上緣；(b)齒形上緣，(c)弓形上緣，(d) 弧形上緣圖6為堰板的形狀示意圖。(a)平板，(b)弧形板，(c)弓形板圖7為堰板上的開孔結構示意圖。(a)圓孔，(b)齒縫圖8為導氣孔結構示意圖。圖9採用複式溢流堰的塔板與採用常規溢流堰的塔板的壓降性能對比圖。(a)低 液流強度，(b)高液流強度圖10採用複式溢流堰的塔板與採用常規溢流堰的塔板的霧沫夾帶性能對比。(a) 低液流強度，(b)高液流強度圖11採用複式溢流堰的塔板與採用常規溢流堰的塔板的洩漏性能對比。(a)低液 流強度，(b)高液流強度圖12為採用複式溢流堰的塔板與採用常規堰的塔板的流場停留時間分布圖。(a) 常規溢流堰，b)複式溢流堰圖13採用複式溢流堰的塔板與採用常規溢流堰的塔板的效率對比。(a)低液流強 度，(b)高液流強度
具體實施例方式如附圖3所示，本發明涉及的一種用於板式塔中弓形降液管的複式溢流堰，包括 兩層或兩層以上的堰板1、堰板上的開孔2和汽液通道3，各層堰板1設置在塔板出口和塔 壁之間，兩層堰板1之間的空間構成了汽液通道3，在塔板出口與降液板相連處，不設置堰 板(1)，降液板上緣與塔板平齊。各層堰板1上緣沿著從塔板出口至塔壁的方向，按著由低到高的梯度進行排列。 各層堰板1下緣沿著塔板出口至塔壁的方向，排列的方式可以與上緣相同，也可以不同。 沿著液流方向，即沿著從塔板出口到塔壁的方向，每兩個堰板1之間的間距比的範圍是 1 1 1.5。沿著液流方向，即沿著從塔板出口到塔壁的方向，每兩個堰板1之間的高度 比的範圍是1 1 3。如附圖5所示，堰板1的上緣形狀可以為平直形狀，也可為弓形、梯形、齒形或其它非平直結構。如附圖6所示，堰本身可以為平直板，也可以為弧形板、弓形板或其它非直板。堰板1的各層堰板上高出塔板的部分可以有開孔2，也可以沒有開孔2，開孔2可 以為圓孔，也可以為長條形齒縫，開孔2結構可參閱附圖7。堰板1之間的汽液通道3內可以設置導氣管4，也可以不設導氣管4，導氣管4結 構可參閱附圖8。與常規堰相比，本構型的堰板對液體進入降液管具有分配導流作用，使得不同溢 流強度下液流都可以根據拋射軌跡進入相應的堰板軌道，而不至形成液簾阻塞降液管口、 在降液管內形成氣穴，能較好滿足降液管空間利用率，對汽液分離具有促進作用，特別是液 量較大、在塔板出口不設置第一層溢流堰時，基本上不形成氣穴，工作原理可參閱附圖4。複式擋板由低到高按一定梯度排列，可形成多個具有不同堰高和間距的溢流堰， 使得塔板上的液層高度可根據液相負荷大小自動調節，可降低塔板壓力降，並提高操作穩 定性和設計彈性。在塔板出口與降液板相連處不設置堰板，可以改善塔板的放大效應。因為常規塔 在塔板出口一般都設有溢流堰，流堰可以使塔板上保持一定的液層厚度，使得氣液相進行 接觸傳質，但堰板的存在的同時，也會對液流產生阻擋作用，使得流體在堰口處產生相方向 的反彈衝擊，使得流體呈現波動性，設備規模越大，波動性對塔板操作的影響越顯著，因此， 溢流堰的存在是造成塔設備放大效應的根源。而本結構通過設置複式堰板，即可以使塔板 上具有一定液層高度，保證充分的汽液相接觸，又可以消除堰板對流體的阻擋作用。下面對採用複式溢流堰的塔板與採用常規溢流堰的塔板的性能進行了對比實驗。 複式溢流堰的結構為兩層堰板，堰板間距為1 1，堰板高度比為1 2(第一層堰板高度 為25mm，第二層堰板高度為50mm)，常規溢流堰的結構有兩種，高度分別為25mm和50mm。圖 9為採用複式堰板結構的塔板和上述兩種常規溢流堰的塔板的壓降性能對比，由圖9可知， 與帶常規堰相比，採用本專利的塔板壓降大大降低。圖10和圖11為採用複式堰板結構的 塔板與兩種常規溢流堰的塔板的霧沫夾帶性能和洩漏性能對比，由圖10和圖11可知，與帶 常規堰相比，採用複式溢流堰的塔板的霧沫夾帶量和洩漏量顯著降低，即拓寬了操作上限 和下限，操作彈性增加，穩定性也得到改善。堰板的下緣不平齊，流體在降液管內可以沿高差梯度橫向流動，對流體可以產生 定向的擾動，有利於液體中夾帶氣體的逸出。複合堰板的形狀(如弓形堰或齒形堰等)可根據塔徑和裝置內的汽液負荷選擇， 由此可調整塔板上的液流方向及流量分布，使得液體滯留區和返混得到緩解或消除，促進 液流分布的均勻性，改善汽液接觸，提高傳質效率。圖12為採用複式堰板結構的塔板和採 用常規溢流堰的塔板的流場均勻性對比，由圖12可知，與帶傳統堰塔板相比，採用複式溢 流堰的塔板的流場均勻性得到顯著改善。圖13為採用複式溢流堰的塔板和採用常規溢流 堰的塔板的效率性能對比，由圖13可知，與帶傳統堰的塔板相比，採用本專利的塔板效率 得到顯著提高。堰板上根據體系物性(黏度、表面張力)設圓形或齒縫形開孔，可將部分液體從小 孔卸流，減輕形成渦流的趨勢，減小溢流阻力，降低液面落差。堰板上設導氣管可便於降液管內液體中夾帶氣體的導出，降低降液管氣含率，消 除降液管操作的壓力波動，提高操作穩定性。
該複式溢流堰結構簡單，實施方便，設計靈活，可用於現有普通弓形降液管的改造 實施，不需對其他塔內件作任何改動，可根據設備規模、操作負荷、體系起泡性等特點選取 相應的結構，適用於各種液體負荷，特別適用於大液量操作。
權利要求
一種促進降液管內汽液分離的複式溢流堰，其特徵在於該複式溢流堰包括兩層或兩層以上的堰板(1)、堰板上的開孔(2)和汽液通道(3)，堰板(1)設置在塔板出口和塔壁之間，兩層堰板(1)之間的空間構成了汽液通道(3)。
2.如權利要求1所述的溢流堰，其特徵在於該複式溢流堰的各層堰板(1)安裝在塔 板出口和塔壁之間，在塔板出口與降液板相連處，不設置堰板(1)，降液板上緣與塔板平齊。
3.根據權利要求1-2任意一項所述的複式溢流堰，其特徵在於各層堰板(1)上緣沿 著從塔板出口至塔壁的方向，按著由低到高的梯度進行排列。
4.根據權利要求1-2任意一項所述的複式溢流堰，其特徵在於各層堰板(1)下緣沿 著塔板出口至塔壁的方向，排列的方式可以與上緣相同，也可以不同。
5.根據權利要求1-2任意一項所述的複式溢流堰，其特徵在於堰板(1)的上緣形狀 可以為平直形狀，也可為弓形、梯形、齒形或其它非平直結構。
6.根據權利要求1-2任意一項所述的複式溢流堰，其特徵在於堰板(1)的堰本身為 平直板、或弧形板、弓形板或其它非直板。
7.根據權利要求1-2任意一項所述的複式溢流堰，其特徵在於堰板(1)在高出塔板 的部分有開孔(2)。
8.根據權利要求1所述的複式溢流堰，其特徵在於堰板(1)之間的汽液通道(3)內 設置導氣管(4)。
9.根據權利要求7所述的複式溢流堰，其特徵在於堰板(1)上的開孔(2)為圓孔或 長條形齒縫。
10.根據權利要求1-2所述的複式溢流堰，其特徵在於沿著液流方向，即沿著從塔板 出口到塔壁的方向，每兩個堰板(1)之間的間距比的範圍是1 1 1.5。
11.根據權利要求1-2所述的複式溢流堰，其特徵在於沿著液流方向，即沿著從塔板 出口到塔壁的方向，每兩個堰板(1)之間的高度比的範圍是1 1 3。
12.—種板式塔，其特徵在於其中設置了如權利要求1-12所述的複式溢流堰。
全文摘要
本發明涉及一種適用於板式塔中弓形降液管的複式溢流堰，包括堰板、開孔、汽液通道和導氣管，堰板由兩層或兩層以上堰板構成，由低到高按一定梯度排列。該結構對液體進入降液管具有分配導流作用，能提高降液管空間利用率，可防止形成氣穴，促進汽液分離，降液管處理能力可提高10～20％；堰板能形成多個不同高度的堰，板上液層高根據液量自動調節，設計彈性可增大10～15％；堰板下緣不平齊，流體在降液管內可以沿高差橫向流動，有利於氣體逸出；還可調整塔板液流分布，緩解滯留區和返混，改善汽液接觸，傳質效率能提高5～15％；堰板上開孔可將部分液體卸流，減輕形成渦流的趨勢，導氣管可將夾帶氣體導出，消除壓力波動。適合大液量操作。
文檔編號B01D3/20GK101874933SQ20091024207
公開日2010年11月3日 申請日期2009年12月3日 優先權日2009年12月3日
發明者嚴超宇, 劉擁軍, 劉豔升, 曹睿 申請人:中國石油天然氣集團公司;中國石油大學(北京)